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1、 成人高等教育 毕 业 论 文课题：基于PLC控制步进电机专 业 电气工程及其自动化 学 生 姓 名 班 级 电气工程及其自动化班 学 号 指 导 教 师 完 成 日 期 2017.12 摘要设计一种基于PLC的步进电机控制系统, 通过微型变速箱将步进电机角位移转化为直线位移, 进而带动直线伸缩机构运行。该系统结构简单、性能稳定、经济价值和使用效果突出, 能够满足毫米级精确位移的使用需求。关键词: PLC; 步进电机; 驱动器; 脉冲。In this paper Design a kind of stepping motor control system based on PLC, throu
2、gh the micro gearbox stepper motor angular displacement can be converted to linear displacement, leading to linear scale operation. The system has simple structure, stable performance, the economic value and the use effect is outstanding, can meet the demand of the use of millimeter precision displa
3、cement. Key words: PLC; Stepping motor; Drive; Pulse. 目 录摘要11 、 引言42、 系统设计的任务53、 步进电机简介54、控制步进电机的设计思路95、 三菱FX2nPLC的介绍和步进电机的选择106、步进电机驱动电路设计 127、 控制系统的程序设计68、结束语79、致谢810、参考文献91、引言步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机，传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统
4、的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。2、 系统设计的任务步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，已成为运动控制领域的主要执行元件之一。本设计是采用是FX2N-32MT控制三相六拍的反应步式步进电机，通过软件设计脉冲频率来控制步进电机的运行速度，通过加减频率来控制步进动机的转速。围绕这两个主要方
5、面，可提出具体的控制要求如下:（1）可正转运行或反转运行；（2）系统上电后，赋一个初始速度值；（3）步进速度可手动变速；3、 步进电机简介3.1步进电机简介步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后，目前其发展趋于平缓。然而，由于电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别，具有其它电动机所没有的特性。因此，沿着小型、高效、低价的方向发展。3.2 步进电机的分类（1）永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。（2）反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。（3）混合式步
6、进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相。两相步进角一般分为1.8度而五相步进角一般为 0.72度，这种步进电机的应用最为广泛。3.3 步进电机的基本参数（1）电机固有步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。（2）步进电机的相数 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0
7、.72 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。（3）保持转矩 保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2Nm的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2Nm的步进电机。 （4）钳制转矩 钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住
8、转子的力矩。由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有钳制转矩。 3.4 步进电机主要特点（1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。（2）步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点，步进电机温度过高时会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。（3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它
9、的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。（4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频4。 3.5 常见的步进电机的工作方式常见的步进电机的工作方式有以下三种：（1）三相单三拍：A- B- C- A图1 三相单三拍（2）三相双三拍：AB - BC - CA - AB图
10、2 三相双三拍（3）三相六拍：A - AB - B - BC - C - CA - A图3 三相六拍3.6 步进电机控制原理（1） 控制步进电机换向顺序通电换向这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三相三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。（2） 控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 （3） 控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调
11、速。 3.7 PLC控制步进电机的方法在本设计中直接使用PLC控制步进电机，可使用PLC产生控制步进电机所需要的各种时序的脉冲。三相步进电机可采用三种工作方式：三相单三拍，三相双三拍，三相单六拍。这三种方式的主要区别是:电机绕组的通电、放电时间不同。工作方式是单三拍时通电时间最短，双三拍时允许放电时间最短，六拍时通电时间和放电时间最长。因此，同一脉冲频率时，六拍的工作方式出力最大。而且，电机是三拍的工作方式时，其分辨率为3度，六拍的工作方式时，分辨率是1.5度。所以，在本课题中，我们采用三相六拍的工作方式，在这种控制方式下工作，步进电机的运行特性好，步进电机分辨率最高。可根据步进电机的工作方式
12、，以及所要求的频率（步进电机的速度），画出A、B、C各相的时序图。并使用PLC产生各种时序的脉冲。例如：本设计采用三菱FX2n-32MT PLC控制三相步进电机的过程。图4 FX2n-32MT PLC控制三相步进电机的过程4、控制步进电机的设计思路4.1 步进电机控制方式典型的步进电机控制系统如图所示：图5 电机控制系统步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后，日前其发展趋向平缓。然而，其基本原理是不变的，即：是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输
13、入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的脉冲顺序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的顺序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，可简单地定义为，根据输人的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机:从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置来分可以分为:普通集成电路控制、单片机控制、工业
14、控制机控制、可编程控制器控制等几种；按照控制结构可分为:硬脉冲生成器硬脉冲分配结构(硬-硬结构)、软脉冲生成器软脉冲分配器结构(软-软结构)、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构(软-硬结构)。1硬硬结构 如图6所示，这种步进电机的控制驱动系统由硬件电路脉冲生成器、硬件电路脉冲分配器、驱动器组成。这种控制驱动方式运行速度比较快，但是电路复杂，功能单一。2软软结构如图7所示，这种步进电机的控制驱动系统由软件程序脉冲生成器、软件程序脉冲分配器、驱动器组成，而软件脉冲生成器和脉冲分配器都有微处理器或微控制器通过编程实现。用单片机、工业控制机、普通个人计算机、可编程序控制器控制步进电机一般均可采用这种结构。这
15、种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能，但是占用CPU时间多，给微处理器运行其他工作造成困难。3软硬结构如图8所示，这种步进电机的控制驱动系统由软件脉冲生成器、硬件脉冲分配器和硬件驱动器组成。硬件脉冲分配器是通过脉冲分配器芯片(如8713芯片)来实现通电换相控制的。这种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能，同时占用CPU时间较少，用可编程控制器全部实现了控制器和驱动器的功能。在PLC中，由软件代替了脉冲生成器和脉冲分配器，直接对步进电机进行并行控制，并且由PLC输出端口直接驱动步进电机。如图3.7所示，这是一种软-软结构，脉冲生成器和脉冲分配器均有可编程序控制器程序实现。图6硬
16、结构图7软结构图8硬结构4.2三菱PLC控制步进电机由以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出：控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。三菱PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使脉冲能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。对输入电机的相关脉冲控制
17、，从而达到对步进电机三相绕组的48V直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。5、 三菱FX2nPLC的介绍和步进电机的选择5.1三菱FX2nPLC的介绍FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。由于FX2n系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 5.2 步进电机的选择本设计选用45BF008。相数是三相、步距角1.5/3度。电压24V、相电流0.2A、保持转距0.118NM(1.2kg.cm)、空载启动频率500， D为45；
18、 D1为25；高H为2.5； d为4；E为14.5；L为58； D2为33；MS为4-M3。图9 步进电机图10 步进电机剖视图6、步进电机驱动电路设计6.1 驱动电路下图为步进电机的驱动电路。图中仅为一相的驱动电路，其余两相与之相同。在图中三极管 T1 起开关作用。当三极管截止时，无集电极电流流通，开关相当于断开；当三极管饱和时， 流过的集电极电流最大， 开关相当于闭合，该开关“动作”可由加于基极的电流来控制。由 T2、T3 两个三极管组成达林顿式功放电路， 驱动步进电机的 3个绕组，使电机绕组的静态电流达到近 2A。电路中使用光电耦合器将控制和驱动信号隔离。当控制输入信号为低电平时，T1
19、截止，输出高电平，则红外发光二极管截止，光敏三极管不导通，因此绕组中无电流流过；当输入信号为高电平时，T1 饱和导通， 于是红外发光二极管被点亮， 使光敏三极管导通，向功率驱动级晶体管提供基极电流， 使其导通，绕组被通以电流。图11步进电机的驱动电路6.2 驱动电路接口图12 驱动电路接口6.3 I/O接线图图13 I/O接线图7、 控制系统的程序设计8、结束语 利用PLC可方便的实现对步进电机的速度和位置进行控制，可靠的实现各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作。PLC控制方法改变控制参数相当方便，只需要改变PLC程序中相应的部分即可，对任何步进电机都可使用，提高了可靠性。9、致 谢在本次设计中，自动化教研室的张老师给我提供了良好的设计条件和细心的指导。导师前瞻性的科学思维、宽广的专业知识和兢兢业业的工作精神，令我敬佩，使我受益匪浅。在导师的指导和帮助下，我顺利地完成了这次设计任务，在此向张老师致以最诚挚的感谢！虽然毕业设计已经完成了，但是，由于自己所学的知识有限，在很多方面还不够全面，我希望在以后的工作和专业发展中，导师能继续给以指导和帮助下学到更多有关的知识。10、参考文献1 FX1S1N2N2NC 编程手册l.pdf2 林春方可编程控制器原理及其应用M上海交通大学出版社，2004:77-963 常斗南可编程序控制器原理应用实验M机械工业出版社，1998:12-19
